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A Silicon Monoxide Lithium-Ion Battery Anode with Ultrahigh Areal Capacity
Jiang Zhong, Tao Wang, Lei Wang, Lele Peng, Shubin Fu, Meng Zhang, Jinhui Cao, Xiang Xu, Junfei Liang, Huilong Fei, Xidong Duan, Bingan Lu, Yiliu Wang, Jian Zhu* & Xiangfeng Duan
Nano-Micro Letters (2022)14: 50
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00790-z
本文亮点
1. 利用大片径多孔石墨烯与一氧化硅制备的自支撑复合电极(LHGF/SiO)具有良好的应力-应变性能，使得该电极有强的机械柔韧性。
内容简介
开发高能量密度的锂离子电池对于新一代储能器件的发展有着极为重要的作用。湖南大学二维材料课题组朱建等人利用大片径的多孔石墨烯与一氧化硅复合，制备出了高质量负载的多级多孔自支撑结构复合物，并将其应用于锂离子电池负极。动力学研究显示，通过改变石墨烯片层上的纳米孔大小，可调整电极在充放电过程中锂离子的传输能力，以增加电极在高质量负载下的面容量。此外，该电极材料的力学测试结果表明，这种自支撑式电极具有良好的机械柔韧性，对一氧化硅在充放电过程中产生的体积变化有缓冲作用。在此基础上，将商业化NCM523与其匹配装备成的全电池在1 C的电流密度下，其能量密度远超当前商业化锂离子电池。该电极的优异性能标志着一氧化硅合金型电极材料在高能量密度储能器件领域广阔的应用前景。
图文导读
一氧化硅在充放电过程中存在较大的体积变化，因此在制备自支撑电极前，将大片层氧化石墨烯与SiO颗粒混合并进行冷冻干燥、焙烧，得到表面包覆石墨烯的SiO复合物；而后将其与多孔氧化石墨烯混合进行水热还原制备成自支撑材料，合成过程如图1a所示。LHGF/SiO复合材料内部为层状结构(如图1b所示)，应力-应变测试表明，大片径石墨烯制备的复合材料在单轴压缩过程中表现出负泊松比现象(图1c)，证明该材料具有良好的机械柔韧性。在辊压后，LHGF/SiO复合材料仍然保持完整的结构，而小片径石墨烯制备的复合材料的结构已经破裂(如图1d)。同时，经过双氧水刻蚀的大片径石墨烯，在其片层上有2-4 nm的纳米孔，这些纳米孔有利于离子的传输，有助于提高该电极的倍率性能(如图1e)。拉曼光谱的结果表明，在电极材料的制备过程中，SiO保持较好的化学稳定性(如图1f)。复合材料的内部孔径分布可知，该电极材料内部存在一定的缓冲空间，能缓解SiO在充放电过程中产生的体积膨胀(如图1g)。
II 自支撑电极中的电极过程动力学性质探究
本文利用简单的水热还原法制备了LHGF/SiO自支撑电极，随后按照不同比例得到不同负载量的电极并进行充放电测试(倍率测试及长循环测试)。如图3c和3d所示，LHGF/SiO电极的倍率性能良好且释放出了较高的面容量。在质量负载为44 mg cm⁻²下，在8.8 mA cm⁻²的电流密度下可释放35.4 mAh cm⁻²的面容量，并在17.6 mA cm⁻²的电流密度下保持10.6 mAh cm⁻²的面容量。在超高质量负载的下(94 mg cm⁻²)，依然有着较好的倍率性能(如图3e)。此外，在质量负载为21 mg cm⁻²的水平下，在2.1 mA cm⁻²的电流密度下可释放15.6 mAh cm⁻²的面容量，并且循环充放电超过120次，容量保持率为79%(如图3f)。
IV 电极在充放电前后的结构分析
图4. (a) 常规涂布方法制备的SiO电极和(b) LHGF/SiO电极循环后结构变化示意图；常规涂布方法制备的SiO电极(含Cu集流器)在循环前(c)、(d) 锂化和(e) 去锂化状态下的SEM横截面图；LHGF/SiO电极在循环前(f)、(g) 锂化和(h) 去锂化状态下的SEM横截面图。
V 对高负载量电极的分析
图5. (a) LHGF/SiO-75%和LGF/SiO-75%电极在100 mA g⁻¹时的面积容量与质量负荷的关系；(b) LHGF/SiO-75%电极在不同电流密度下的面积容量与质量负载的关系；(c) LHGF/SiO-75%电极在不同质量负载下的面积容量与电流密度的关系；(d) LHGF/SiO-75%电极与不同类型合金型负极的面容量性能对比。
作者简介
本文第一作者
锂离子储能器件的构建及电极过程动力学研究。
本文通讯作者
新型储能器件，功能纳米材料在电化学储能方面的应用。
▍主要研究成果
▍Email: jzhu@hnu.edu.cn
撰稿：原文作者
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